10 射流混合过程(简)

1、 第十讲 射流混合过程 l 动力燃烧、扩散燃烧、中间燃烧动力燃烧、扩散燃烧、中间燃烧 l 有焰燃烧、无焰燃烧有焰燃烧、无焰燃烧 l 射流基本流型射流基本流型 l 自由射流结构及其相似性自由射流结构及其相似性 l 大型煤粉锅炉，宜采用矩形喷口燃烧器大型煤粉锅炉，宜采用矩形喷口燃烧器 l 交叉射流、环状射流、旋转射流的特点交叉射流、环状射流、旋转射流的特点 l 燃煤特性与射流混合的选择燃煤特性与射流混合的选择 l 旋转射流的优势与缺陷，射流流场分布旋转射流的优势与缺陷，射流流场分布 l 射流流场影响因素射流流场影响因素 燃燃 料料 工业燃烧设备中，燃料和空气大多是以射流形式喷入炉膛进行混合工业燃烧

2、设备中，燃料和空气大多是以射流形式喷入炉膛进行混合 并燃烧的。并燃烧的。 浓浓 度度 温温 度度混合混合 扩散扩散 燃烧燃烧 化学过程化学过程 物理过程物理过程 动量传递动量传递( (流动流动) ) 质量传递质量传递( (扩散扩散) ) 热量传递热量传递 化学反应化学反应 射流混合目的：使燃料和氧化剂及射流混合目的：使燃料和氧化剂及 时、充分地混合，保证燃料进入炉时、充分地混合，保证燃料进入炉 膛后及时着火和稳定燃烧以及迅速、膛后及时着火和稳定燃烧以及迅速、 完全燃尽。完全燃尽。 燃烧燃烧 空空 间间 时时 间间 化热混 动力燃烧动力燃烧 化热混 扩散燃烧扩散燃烧 化热混 中间燃烧中间燃烧 l

3、混 混 可燃分子与氧化剂分子按一定浓度相混合（扩散） 可燃分子与氧化剂分子按一定浓度相混合（扩散） 达到分子间接触所需要的时间；达到分子间接触所需要的时间； l热 热 混合后的可燃混合物为达到开始燃烧反应的温度所 混合后的可燃混合物为达到开始燃烧反应的温度所 需的加热时间；需的加热时间； l化 化 完成化学反应所需的时间。 完成化学反应所需的时间。 l动力燃烧动力燃烧 燃烧速度受可燃混合物加热和化学反应速度限制，燃烧速度受可燃混合物加热和化学反应速度限制， 如事先混合好的煤气如事先混合好的煤气- -空气混合物空气混合物 l扩散燃烧扩散燃烧 燃烧速度受混合速度限制，如煤气和空气分别由两燃烧速度受

4、混合速度限制，如煤气和空气分别由两 个喷口进入燃烧室个喷口进入燃烧室 l中间燃烧中间燃烧 介于两者之间的燃烧过程介于两者之间的燃烧过程 燃烧过程燃烧过程 从可燃分子与氧化剂分子混合（扩散）到燃从可燃分子与氧化剂分子混合（扩散）到燃 烧反应完成的整个过程烧反应完成的整个过程 燃烧燃烧 层流燃烧层流燃烧 紊流燃烧紊流燃烧 过渡态燃烧过渡态燃烧 气体流动形式气体流动形式 燃烧燃烧 气体燃料气体燃料 液体燃料液体燃料 固体燃料固体燃料 燃料燃料 燃烧燃烧 均相燃烧均相燃烧 异相燃烧异相燃烧 燃料物质形态燃料物质形态 燃烧燃烧 层状燃烧层状燃烧( (固定床固定床) ) 固体床层固体床层 沸腾床燃烧沸腾床

5、燃烧( (流化床流化床) ) 粉煤燃烧粉煤燃烧( (气流床气流床) ) 射流混合过程射流混合过程 煤 气煤 气 与 空与 空 气 混气 混 合 程合 程 度度 长度长度 宽度宽度 温度分布温度分布 气流的喷出速度气流的喷出速度 空气与煤气的相空气与煤气的相 对速度对速度 气流的交角气流的交角 旋流速度旋流速度 紊流射流紊流射流 自由射流自由射流 同轴射流同轴射流 交叉射流交叉射流 旋转射流旋转射流 有焰燃烧有焰燃烧: :煤气与空气在炉内一边混合一边燃烧煤气与空气在炉内一边混合一边燃烧 射射 流流 的的 初初 始始 条条 件件 喷口尺寸喷口尺寸d d0 0 流量流量mm0 0 动量动量G G0

6、0 温度温度T T0 0 压力压力p p0 0 密度密度0 0 浓度浓度C C0 0 速度速度u u0 0 边 界边 界 条件条件 外围流体流速外围流体流速u us s 压力压力P Ps s 温度温度T Ts s 浓度浓度C Cs s 物 理物 理 参数参数 等压比热等压比热c cp p 紊流导热系数紊流导热系数 紊流粘性系数紊流粘性系数 紊流扩散系数紊流扩散系数D DT T T T 射流流场的速度分布、温度分布、浓度分射流流场的速度分布、温度分布、浓度分 布、卷吸气量比布、卷吸气量比mmc c/m/m0 0、射流扩展率、射流扩展率d dy y/d/dx x， 射流张角射流张角或或 静止气体中

7、的自由射流静止气体中的自由射流 气流由喷口射入充满静止空气且不受约束空间时的流动气流由喷口射入充满静止空气且不受约束空间时的流动 速度差、粘性速度差、粘性 紊流旋涡层紊流旋涡层 紊流旋涡跨流紊流旋涡跨流 扩散侵蚀主流扩散侵蚀主流 楔形射流核楔形射流核( (势流核心势流核心) ) u u0 0、C C0 0、T T0 0 初始段初始段 外边界流速为外边界流速为0 射流射流 极点极点 扩展角扩展角 X Xp p 初始段约为喷口直径的初始段约为喷口直径的4545倍倍 静止气体中的自由射流静止气体中的自由射流 内外边界内外边界 紊流边界层紊流边界层 卷吸作用卷吸作用 外围气体跨流扩外围气体跨流扩 散与

8、主流混合散与主流混合 势流核心缩小消失势流核心缩小消失 相似速度分布相似速度分布 过渡段过渡段 剪切层剪切层 掺混层掺混层 过渡段的长度约为喷口直径的过渡段的长度约为喷口直径的1010倍倍 静止气体中的自由射流静止气体中的自由射流 过渡段过渡段 射流沿程各断射流沿程各断 面上轴向流速面上轴向流速u u 呈正态分布呈正态分布 射流充分发展射流充分发展 自模段自模段( (充分发展段充分发展段) ) x/dx/d0 0810810，射流沿程各截面上，射流沿程各截面上 轴向速度呈正态相似分布，无因次轴向速度呈正态相似分布，无因次 参数分布与参数分布与x/d0 x/d0无关无关 0 05. 0uum 静

9、止气体中的自由射流静止气体中的自由射流 射流的射程是射流的重要流动参数，其反映了射流对周围流射流的射程是射流的重要流动参数，其反映了射流对周围流 体的穿透能力，而且还与卷吸周围介质、燃料着火和燃烧密体的穿透能力，而且还与卷吸周围介质、燃料着火和燃烧密 切相关切相关 射流射程射流射程 速度衰减速度衰减 初始段 基本段 过渡截面 核心区 外边界 极点 轴心速度轴心速度 x0 h0 流量流量 动量动量 压力压力 静止气体中的自由射流静止气体中的自由射流 0 05. 0uum 截面上轴向截面上轴向 速度衰减至速度衰减至 射程射程 扩展角扩展角 X Xp p 静止气体中的自由射流静止气体中的自由射流 射

10、流的扩展角射流的扩展角 射流速度变化规律、核心区射流速度变化规律、核心区( (势流核心势流核心) )的形状以及速度的形状以及速度 分布的规律都是相似的分布的规律都是相似的 aR x29. 0 ) 2 cot( 0 0 x0 射流极点至喷口的距离，射流极点至喷口的距离， m R0 喷口半径，喷口半径，m a 湍流系数，与气流湍流程度及喷口处速度湍流系数，与气流湍流程度及喷口处速度 场分布均匀性有关的经验常数，对于圆形喷场分布均匀性有关的经验常数，对于圆形喷 口，口，a0.070.076， 约为约为2828o o，初始段长初始段长 度约为度约为R0的的8.89.6倍倍 圆形喷口：圆形喷口： 静止气

11、体中的自由射流静止气体中的自由射流 射流核心射流核心 火焰黑根火焰黑根 长度长度x xp p 喷口形状喷口形状 喷口速度分布喷口速度分布 紊流强度紊流强度 实验决定实验决定 静止气体中的自由射流静止气体中的自由射流 PrandtlPrandtl紊流理论：湍流切应力的数值是由流体微团速度紊流理论：湍流切应力的数值是由流体微团速度 脉动引起动量横向转移来直接确定的，又称动量转移理论脉动引起动量横向转移来直接确定的，又称动量转移理论 自由射流半宽自由射流半宽y y与该截面上的轴向距离与该截面上的轴向距离x x成正比成正比 constx /y 自由射流轴向速度自由射流轴向速度u um m分布规律 分布

12、规律 自由射流轴向浓度自由射流轴向浓度C Cm m分布规律 分布规律 圆形喷口：圆形喷口： 自由射流轴向速度的径向分布规律自由射流轴向速度的径向分布规律 自由射流轴向浓度的径向分布规律自由射流轴向浓度的径向分布规律 静止气体中的自由射流静止气体中的自由射流 在射流的充分发展区，轴向流速的径向分布具有相似性。在射流的充分发展区，轴向流速的径向分布具有相似性。 在距离喷口在距离喷口x x处与轴线垂直的断面上，至轴线距离为处与轴线垂直的断面上，至轴线距离为y y的的 点上的速度点上的速度u ux x与轴线上相应的速度与轴线上相应的速度u umx mx的比值，只与 的比值，只与 y/yy/ybj bj

13、有关 有关。自由射流轴向速度的。自由射流轴向速度的径向分布规律径向分布规律： 自由射流轴向浓度的径向分布规律：自由射流轴向浓度的径向分布规律： )(exp 2 x y K u u u m Ku=8292 )(exp 2 x y K C C C m KC=5457 22/3 )(1 bjmx x y y u u 圆形喷口：圆形喷口： 2/3 0 )(1 bjw w y y TT TT 2/3 0 )(1 bjw w y y CC CC Tw、Cw-射流周围空间介质的温度与浓度射流周围空间介质的温度与浓度 T0、C0-喷口处射流的温度与浓度喷口处射流的温度与浓度 ybj-距离喷口距离喷口x处轴线至

14、外边界的距离处轴线至外边界的距离 静止气体中的自由射流静止气体中的自由射流 自由射流自由射流轴向速度轴向速度u um m分布规律： 分布规律： 自由射流轴向浓度自由射流轴向浓度C Cm m分布规律： 分布规律： 5 . 116. 0 0 0 d x u u m 5 . 122. 0 0 0 d x C C m 96. 0 29. 0 00 R x a u u m 圆形喷口：圆形喷口： 29. 0 7 . 0 0 0 R x a TT TT w wm 29. 0 7 . 0 0 0 R x a CC CC w wm 在射流轴线上流体的轴向速度在射流轴线上流体的轴向速度um的变化只与相对距离的变化

15、只与相对距离 x/do有关有关 Tm、Cm-射流基本段内至喷口某一距离的截射流基本段内至喷口某一距离的截 面轴线上的温度与浓度面轴线上的温度与浓度 a-湍流系数，对于圆形喷口，湍流系数，对于圆形喷口，a=0.070.076 静止气体中的自由射流静止气体中的自由射流 射流相似性：射流相似性： 在射流轴线上流体的在射流轴线上流体的轴向速度轴向速度um的变的变 化只与相对距离化只与相对距离x/do有关有关 在距离喷口在距离喷口x处与轴线垂直的断面上，处与轴线垂直的断面上， 至轴线距离为至轴线距离为y的点上的的点上的径向速度径向速度ux与与 轴线上相应的速度轴线上相应的速度umx的比值，只与的比值，只

16、与 y/ybj有关有关 若两个射流的若两个射流的x/d0相同，相同， 且且y/ybj也相同，则两个也相同，则两个 射流的射流的ux/umx和和um/u0也也 相同。即射流的速度场相同。即射流的速度场 是相似的。浓度场与温是相似的。浓度场与温 度场亦同。度场亦同。 静止气体中的自由射流静止气体中的自由射流 该喷口的特征尺寸直径为矩形的短边长度该喷口的特征尺寸直径为矩形的短边长度2b2b0 0 扁矩形喷口：扁矩形喷口： 射流的扩展角射流的扩展角较小，各项参数沿轴向变化较慢较小，各项参数沿轴向变化较慢 ab x41. 0 ) 2 cot( 0 0 x0 射流极点至喷口的距离，射流极点至喷口的距离，

17、m b0 喷口短边长度，喷口短边长度，m xch 初始段长度，初始段长度，m a 湍流系数，与气流湍流程度及喷口处速度场分布湍流系数，与气流湍流程度及喷口处速度场分布 均匀性有关的经验常数，对于扁矩形喷口，均匀性有关的经验常数，对于扁矩形喷口，a 0.10.12 ab xch31. 1 0 静止气体中的自由射流静止气体中的自由射流 扁矩形喷口：扁矩形喷口： 自由射流轴向速度自由射流轴向速度u um m分布规 分布规 律律 自由射流轴向速度的径向分布规律自由射流轴向速度的径向分布规律 自由射流轴向浓度的径向分布规律自由射流轴向浓度的径向分布规律 自由射流轴向浓度自由射流轴向浓度C Cm m分布规

18、律 分布规律 静止气体中的自由射流静止气体中的自由射流 扁矩形喷口：扁矩形喷口： 2 . 1 41. 0 0 0 b x a u u m 自由射流自由射流轴向速度轴向速度u um m分布规律： 分布规律： 自由射流轴向速度的自由射流轴向速度的径向分布径向分布规规 律：律： 22/3 )(1 bjmx x y y u u 静止气体中的自由射流静止气体中的自由射流 扁矩形喷口：扁矩形喷口： 自由射流轴向浓度的自由射流轴向浓度的径向分布径向分布规律：规律： 2/3 0 )(1 bjw w y y TT TT 2/3 0 )(1 bjw w y y CC CC 自由射流轴向浓度自由射流轴向浓度C Cm

19、 m分布规律： 分布规律： 41. 0 04. 1 0 0 R x a TT TT w wm 41. 0 04. 1 0 0 R x a CC CC w wm 静止气体中的自由射流静止气体中的自由射流 对于大型煤粉锅炉，炉膛的深度和宽度较大，宜采用矩形喷对于大型煤粉锅炉，炉膛的深度和宽度较大，宜采用矩形喷 口燃烧器。口燃烧器。 由于大型煤粉锅炉炉膛深度和宽度较大，必须保证射流具有足由于大型煤粉锅炉炉膛深度和宽度较大，必须保证射流具有足 够的够的穿透深度穿透深度，因此，射流衰减速度必须降低。为了减弱射流，因此，射流衰减速度必须降低。为了减弱射流 速度的衰减，宜采用直流式煤粉燃烧器。根据动量守恒原

20、理，速度的衰减，宜采用直流式煤粉燃烧器。根据动量守恒原理， 射流每个断面上的动量总和不变，射流范围扩大，卷入射流的射流每个断面上的动量总和不变，射流范围扩大，卷入射流的 气体量增加，射流流速就会衰减。但是，如果继续降低射流的气体量增加，射流流速就会衰减。但是，如果继续降低射流的 衰减速度，则可采用喷口是扁矩形的喷口燃烧器，此时起主要衰减速度，则可采用喷口是扁矩形的喷口燃烧器，此时起主要 作用的是矩形两个短边，扩散角小，只能从气流外边缘的边界作用的是矩形两个短边，扩散角小，只能从气流外边缘的边界 层卷吸热烟气，射流卷吸能力差，被带入射流的周围气体数量层卷吸热烟气，射流卷吸能力差，被带入射流的周围

21、气体数量 少，早期混合较弱；燃烧器结构简单，通风阻力小，气流出口少，早期混合较弱；燃烧器结构简单，通风阻力小，气流出口 速度高，射流动量大，刚性大，衰减较慢，射流穿透深度大，速度高，射流动量大，刚性大，衰减较慢，射流穿透深度大， 气流在炉内的后期混合较好。气流在炉内的后期混合较好。 静止气体中的自由射流静止气体中的自由射流 自由射流对周围气体的卷吸能力可用卷吸率表示：自由射流对周围气体的卷吸能力可用卷吸率表示： 0 0 0 m mm m m xe me 卷吸量卷吸量 mx x截面处射流的总质量流量截面处射流的总质量流量 m0 射流的初始质量流量射流的初始质量流量 射流向前运动时，由于横向的速度

22、脉动及粘性，与周围介质射流向前运动时，由于横向的速度脉动及粘性，与周围介质 产生动量交换，带动周围介质运动，使射流的质量沿流向逐产生动量交换，带动周围介质运动，使射流的质量沿流向逐 渐增加，这种现象称为射流的渐增加，这种现象称为射流的卷吸或引射卷吸或引射。 静止气体中的自由射流静止气体中的自由射流 s0 当量直径当量直径d de e 从直径从直径d d0 0喷出的密度为喷出的密度为0 0 的气体的动量的气体的动量G G0 0和速度和速度u u0 0 从当量直径从当量直径d de e喷出的密度为喷出的密度为s s的气体的动量的气体的动量G Gs s和速度和速度u us s G G0 0=G=Gs

23、 su u0 0=u=us s mm0 0 G G0 0 2/1 0 0 )( s e dd 2/1 00 0 )( 2 G m de 非等温过程非等温过程 已知量已知量 同向平行流中的自由射流同向平行流中的自由射流 射流的扩展射流的扩展 单股射流射入与其同向平行流动的主气流中单股射流射入与其同向平行流动的主气流中 轴线上流体轴向轴线上流体轴向 速度的衰减速度的衰减 核心区长度核心区长度 射流与周围气射流与周围气 流之间的速度流之间的速度 梯度梯度 同向平行流中的自由射流同向平行流中的自由射流 外围流体流速外围流体流速u us s 逐渐变大逐渐变大 混合速度减慢混合速度减慢 u u0 0=u=

24、us s 混合速度很慢混合速度很慢 u u0 0uus s u u0 0uus s 混合速度变快混合速度变快 射流与外流间的速度梯度减小，混合减缓，射流张角、速射流与外流间的速度梯度减小，混合减缓，射流张角、速 度及浓度沿轴向的变化率随之减小。度及浓度沿轴向的变化率随之减小。 射流出口附近混合区射流出口附近混合区中轴向速度的分布公式：中轴向速度的分布公式： 同向平行流中的自由射流同向平行流中的自由射流 0s u/u s0 )cos1 ( 2 12 20 rr rruu u s r r1 1与与r r2 2 分别为混合区的内半径与外 分别为混合区的内半径与外 半径半径 u u0 0 射流出口速度

25、射流出口速度 u us s 外围流体速度外围流体速度 同向平行流中的自由射流同向平行流中的自由射流 势核长度势核长度x xp p： 射流充分发展区射流充分发展区轴心速轴心速 度度u uc c的衰减规律的衰减规律: : 表示射流的表示射流的 扩散情况扩散情况 射流张角及射流扩展率随射流张角及射流扩展率随的增大而减小的增大而减小 124 0 d x p 5 . 02 . 0/ 0 uus x x uu uu p s sc 0 0 / dr 0 d x 同向平行流中的自由射流同向平行流中的自由射流 射流的扩展规律射流的扩展规律: : )1( 0 0 0 5 . 0 ) / / ( dx dx r Y

26、 p 的径向距离为 2 maxmin 5 . 0 uu uY 同向平行流中的自由射流同向平行流中的自由射流 射流截面上的速度分布射流截面上的速度分布: : s0 射流特性是流速比射流特性是流速比和和 的函数的函数 00ss u/u 当射流密度小于外围流体的密度时，射流当射流密度小于外围流体的密度时，射流 的衰减速度加快的衰减速度加快 ) 2 cos1 ( 2 1 5 . 00 Y r uu uu s s 多股平行射流多股平行射流 初始段初始段 基本段基本段:相邻射流汇合的截面开始相邻射流汇合的截面开始 初始段初始段 过渡段过渡段 过渡段的大小和平行射流组过渡段的大小和平行射流组 中相邻喷口之间

27、的距离有关中相邻喷口之间的距离有关 当多股平行射流存在时，由于当多股平行射流存在时，由于 每股射流彼此之间的相互影响，每股射流彼此之间的相互影响， 射流之间形成较为射流之间形成较为强烈的漩涡强烈的漩涡 区区，发生相互混合和动量交换，发生相互混合和动量交换， 使得多股射流的湍流脉动比自使得多股射流的湍流脉动比自 由射流大。所以多股射流与单由射流大。所以多股射流与单 股射流相比，具有如下的特点：股射流相比，具有如下的特点： 多股平行射流初始段长度比单多股平行射流初始段长度比单 股射流流程短，约小股射流流程短，约小30%30%左右左右； 1. 1.由于边界层的增厚主要与横向由于边界层的增厚主要与横向

28、 脉动速度成正比，所以脉动速度成正比，所以混合区混合区 厚度比单股大厚度比单股大多股平行射流基本段中速度多股平行射流基本段中速度 场仍服从自由射流的速度分场仍服从自由射流的速度分 布规律布规律 多股平行射流多股平行射流 初始段初始段 基本段基本段 初始段初始段 过渡段过渡段 在各股射流在各股射流初始段初始段的不同截的不同截 面上，速度分布具有相似性面上，速度分布具有相似性 22/3 2 0 0 )(1 b yy u uu u u 边界层内任一点的速度 边界层内任一点的速度 m/sm/s u u0 0 单股射流的初始速度 单股射流的初始速度 m/sm/s y y2 2 由喷口边缘引出的水平线的坐

29、标 由喷口边缘引出的水平线的坐标 位置位置 mm b b 边界层混合区的厚度边界层混合区的厚度 mm 自由射流自由射流 xb27. 0 xb315. 0 多股射流多股射流 初始段边界层内初始段边界层内速度分布：速度分布： 由于射流之间形成了较为强烈由于射流之间形成了较为强烈 的漩涡区，边界层的增厚与横的漩涡区，边界层的增厚与横 向脉动速度成正比，所以多股向脉动速度成正比，所以多股 射流的湍流脉动比自由射流大。射流的湍流脉动比自由射流大。 多股平行射流多股平行射流 初始段初始段 基本段基本段 初始段初始段 过渡段过渡段 多股平行射流多股平行射流基本段中基本段中速度速度 场仍服从自由射流的速度分场

30、仍服从自由射流的速度分 布规律布规律 22/3 5 . 0 2 2 ) 27. 2 / (1 yy uu uu m u u 多股平行射流基本段中任一点的速 多股平行射流基本段中任一点的速 度度 m/sm/s u u2 2 相邻喷口之间位置处的速度 相邻喷口之间位置处的速度 y y 由喷口中心轴线起始的纵向坐标由喷口中心轴线起始的纵向坐标 mm y y0.5 0.5 由射流喷口中心轴线至相应于 由射流喷口中心轴线至相应于(u-(u- u u2 2)/(u)/(um m-u -u2 2)=0.5)=0.5处的距离处的距离 mm 随着射流的发展，速度场趋于均匀随着射流的发展，速度场趋于均匀 交叉射流

31、交叉射流 以某一角度与主流相交的射流为交叉射流以某一角度与主流相交的射流为交叉射流 射流在主流中的穿透深度射流在主流中的穿透深度 射流和主流的混合情况射流和主流的混合情况 交叉射流交叉射流 或者两股射流以一定角度交叉喷出形成交叉射流或者两股射流以一定角度交叉喷出形成交叉射流 强强 化化 混混 合合 在两股交叉射流汇合前存在回流区，在两股交叉射流汇合前存在回流区， 其大小和强度由其大小和强度由a a0 0和和0 0决定决定 交叉射交叉射 流汇合流汇合 点点x xj j 交叉汇合点至喷口距离交叉汇合点至喷口距离xjxj随角度减随角度减 小而增加，随喷口间距增大而增大。小而增加，随喷口间距增大而增大

32、。 交叉射流交叉射流 或者两股射流以一定角度交叉喷出形成交叉射流或者两股射流以一定角度交叉喷出形成交叉射流 交叉射流主流方向上速度交叉射流主流方向上速度 衰减规律：衰减规律： 汇合点之前，射流速度逐汇合点之前，射流速度逐 渐降低渐降低 汇合点附近，射流速度有汇合点附近，射流速度有 所增大，汇合点位置所增大，汇合点位置x xj j与与 喷口间距喷口间距a a0 0和角度和角度0 0有关有关 汇合点后不远处，射流速汇合点后不远处，射流速 度开始衰减，其衰减规律度开始衰减，其衰减规律 类似于自由射流类似于自由射流 交叉射流交叉射流 在向火焰中喷射二次在向火焰中喷射二次 助燃空气助燃空气( (分级燃烧

33、分级燃烧) ) 或稀释空气或稀释空气( (高速等温高速等温 烧嘴烧嘴) )时，常采用交叉时，常采用交叉 射流方式。射流方式。 圆形喷孔直径圆形喷孔直径d d 交叉角交叉角 9090 0 二次助燃空气初始二次助燃空气初始 速度速度u u0 0，风温，风温T T0 0 体积流量体积流量QQ0 0 主流速度主流速度v v 0 0及风 及风 温温T T u u0 0 0 0 Q Q0 0 0 0 v v0 0 0 0 v v0 0 0 0 u u0 0 0 0 Q Q0 0 0 0 v v0 0 0 0 v v0 0 0 0 交叉射流交叉射流 正面受主流动压头的冲正面受主流动压头的冲 击击 背面受尾流

34、中降压旋涡背面受尾流中降压旋涡 卷刷卷刷 射流核射流核OBOB 显著弯曲段显著弯曲段 旋涡扩展段旋涡扩展段 2 00 2 1 v 射流出现周向速度分量射流出现周向速度分量 旋涡旋涡 射流受到侧面切应力作用射流受到侧面切应力作用 卷吸掺混强烈卷吸掺混强烈 射流轴线射流轴线 几何中心线几何中心线 交叉射流交叉射流 穿透深度的经验公式：穿透深度的经验公式： 38. 085. 0 )()( d x d y 0 0 u v 一般来说，要得到二次风与燃烧气流一般来说，要得到二次风与燃烧气流 良好的混合，必须保持一定的良好的混合，必须保持一定的值值 煤粉炉煤粉炉 1:671:67 交叉射流交叉射流 交叉角及

35、流速比的影响：交叉角及流速比的影响： 1 0 0 v u 流速比 环状射流环状射流 有钝体的直流燃烧器有钝体的直流燃烧器 改善火焰的结构改善火焰的结构 和稳定性和稳定性 低压回流区低压回流区 喷嘴出口喷嘴出口810d810d0 0 充分发展区充分发展区( (自模段自模段) )，流，流 型类似于自由射流型类似于自由射流 靠近喷嘴出口处靠近喷嘴出口处 射流状态只受喷嘴的几射流状态只受喷嘴的几 何形状何形状(d/D)(d/D)的影响的影响 回流区大小、回流速度及回流量，回流区大小、回流速度及回流量， 影响着火稳定性及气流混合影响着火稳定性及气流混合 同心射流同心射流 轴向直流燃烧器轴向直流燃烧器 改

36、善火焰的结构改善火焰的结构 和稳定性和稳定性 低压回流区低压回流区 喷嘴出口喷嘴出口810d810d0 0 充分发展区，流充分发展区，流 型类似于自由射型类似于自由射 流流 靠近喷嘴出口处靠近喷嘴出口处 射流状态受喷嘴的射流状态受喷嘴的 几何形状的影响几何形状的影响 环状射流对中心射流的影响环状射流对中心射流的影响 随着随着 的增大，中心的增大，中心 射流势核长度越来射流势核长度越来 越小，中心射流速越小，中心射流速 度衰减越来越快度衰减越来越快 ca uu / 外围环状外围环状 射流速度射流速度 中心射中心射 流速度流速度 中心射流对环状射流的影响中心射流对环状射流的影响 随着随着 的减小，

37、环状的减小，环状 射流势核长度越来射流势核长度越来 越小，环状射流速越小，环状射流速 度衰减越来越快度衰减越来越快 ca uu / 环缝宽度环缝宽度 )(2/1 12 DD 射流长度为炉膛射流长度为炉膛2/32/33/43/4 卷吸量越大，射程越小卷吸量越大，射程越小 卷吸量越小，射程越远卷吸量越小，射程越远 由实验确定由实验确定 对于难以燃烧的贫煤和无烟煤来说对于难以燃烧的贫煤和无烟煤来说 环状射流速率大，中心射流速率小，衰减快，从而在环状射流速率大，中心射流速率小，衰减快，从而在 中心射流喷口处形成了一个较大的回流区，使得无烟中心射流喷口处形成了一个较大的回流区，使得无烟 煤易于达到它的着

38、火温度，从而易于着火煤易于达到它的着火温度，从而易于着火 对于易于燃烧的烟煤来说对于易于燃烧的烟煤来说 中心射流速率大，环状射流速率小，从而在环状射流中心射流速率大，环状射流速率小，从而在环状射流 喷口处形成回流区，促进混合，并降低了中心射流喷喷口处形成回流区，促进混合，并降低了中心射流喷 口处的温度，防止烧坏喷嘴口处的温度，防止烧坏喷嘴 旋转射流旋转射流-简介简介 径向和轴向压力梯度径向和轴向压力梯度 轴向压力梯度增大轴向压力梯度增大 流体轴向倒流，形成流体轴向倒流，形成 回流区回流区 旋转紊流运动旋转紊流运动 自由射流运动自由射流运动 尾流尾流 旋转射流旋转射流-简介简介 I I区，自由漩

39、涡区，自由漩涡 II II区，固体漩涡区，固体漩涡 旋转射流旋转射流-特点特点 旋转射流具有内回流区和外回流区，扩展角比较旋转射流具有内回流区和外回流区，扩展角比较 大，相对直流射流而言，旋转射流卷吸周围介质的大，相对直流射流而言，旋转射流卷吸周围介质的 能力强，可以依靠自身的回流区保持稳定着火。能力强，可以依靠自身的回流区保持稳定着火。 旋转射流出口处速度高，由轴向、径向和切向速旋转射流出口处速度高，由轴向、径向和切向速 度组成，气流的早期混合强烈。度组成，气流的早期混合强烈。 切向速度衰减很迅速，气流旋转效应消失较快，切向速度衰减很迅速，气流旋转效应消失较快， 因此后期混合较弱。因此后期混

40、合较弱。 旋转射流的轴向速度衰减也较快，因此射流射程旋转射流的轴向速度衰减也较快，因此射流射程 较短。较短。 旋转射流旋转射流-自由漩涡自由漩涡 位能旋涡：靠流体内部位能变化位能旋涡：靠流体内部位能变化( (静压或水位差静压或水位差) )而形成的旋涡而形成的旋涡 自由旋涡：无外加扭矩作用、理想流体、无摩擦损耗、漩涡自由旋涡：无外加扭矩作用、理想流体、无摩擦损耗、漩涡 不同半径上的动量矩守恒不同半径上的动量矩守恒 旋转射流旋转射流-自由漩涡自由漩涡 自由旋涡的特点：自由旋涡的特点： 切线速度切线速度v v0 0与半径成反比与半径成反比 流线虽然是同心圆，但是各流体微团并没有绕其自身轴流线虽然是同

41、心圆，但是各流体微团并没有绕其自身轴 线自转运动线自转运动( (不包括涡心不包括涡心) )，而是一种无旋圆周运动，即各，而是一种无旋圆周运动，即各 流体微团的旋度为零。流体微团的旋度为零。 包括涡心，任何半径包括涡心，任何半径r r圆周上的环量或涡强圆周上的环量或涡强都相等，所都相等，所 以自由漩涡又叫做等环量或等涡强流场以自由漩涡又叫做等环量或等涡强流场 Kcontrv 0 旋转射流旋转射流-固体漩涡固体漩涡 固体旋涡固体旋涡-强制旋涡强制旋涡 rRrR1 1 (R (R1 1: :平衡半径平衡半径) ) 漩涡中心有个半径为漩涡中心有个半径为R R1 1的涡核，涡核内的流体绕中心的涡核，涡核

42、内的流体绕中心OO按固体按固体 旋转规律旋转，即旋转规律旋转，即 rv 这个涡核即为固体漩涡或者强制漩涡这个涡核即为固体漩涡或者强制漩涡 2 1 2 R 旋转射流旋转射流-圆周漩涡圆周漩涡 涡核涡核强制旋涡流场强制旋涡流场 圆周旋涡栾肯涡圆周旋涡栾肯涡 外围外围-自由旋涡流场自由旋涡流场 rRrR1 1 v v =r =r rRrR1 1 v v r=K r=K r=Rr=R1 1 固体漩涡的外围为自由涡，固体涡核与外围自由涡的整体为固体漩涡的外围为自由涡，固体涡核与外围自由涡的整体为 圆周漩涡或者栾肯涡圆周漩涡或者栾肯涡 1 1 R K Rvm rRrrRrR1 1 r=Rr=R1 1 R

43、R1 1r0r0 r=0r=0 圆周旋涡静压分布规律圆周旋涡静压分布规律 0 pp 2 2 0 v pp 2 2 0 1 ) 2 ( 2r pp 或者或者 2 1 2 0 2 01 1 ) 2 ( 22R p v pp m 4 1 2 22 1 2 0 8 )2( R rR pp 2 1 2 2 0 4R ppc )(2 100 pppp c 或者或者 旋转射流旋转射流-旋流强度及旋流数旋流强度及旋流数 旋旋 流流 强强 度度 火焰长度火焰长度 燃烧强度燃烧强度 火焰稳定性火焰稳定性 旋旋 流流 数数 RG G s x G G 旋转射流的角动量 旋转射流的角动量( (旋转动量矩旋转动量矩) R

44、 ) R 定性尺寸，旋流半径定性尺寸，旋流半径 G Gx x 旋转射流的轴向动量 旋转射流的轴向动量 p p 旋转射流某轴向截面处的静压旋转射流某轴向截面处的静压 v v 旋转射流的切向分速度 旋转射流的切向分速度 v vx x 旋转射流的轴向分速度旋转射流的轴向分速度 扩张角、回流区大小扩张角、回流区大小 旋流强度仅与旋流器结构尺寸有关旋流强度仅与旋流器结构尺寸有关 旋转射流旋转射流-旋流射流流场结构旋流射流流场结构 旋旋 转转 射射 流流 的的 流流 场场 结结 构构 s0.6s0.6s0.6 强旋流，沿轴线的反向压强旋流，沿轴线的反向压 力梯度增大，导致其不能力梯度增大，导致其不能 被轴

45、向流动的流体动能所被轴向流动的流体动能所 克服，产生内部回流区，克服，产生内部回流区， 速度场为双峰式分布速度场为双峰式分布 S S0.60.6，为弱旋转射流的临界旋流强度，为弱旋转射流的临界旋流强度 旋转射流旋转射流-旋流射流流场结构旋流射流流场结构 旋转射流旋转射流-弱旋流射流流场特点弱旋流射流流场特点 轴线上的轴向速度衰减与旋流强轴线上的轴向速度衰减与旋流强 度度s s有关，有关，s s越大，势能核心被破越大，势能核心被破 坏得越强烈，射流喷口处速度下坏得越强烈，射流喷口处速度下 降得越快降得越快 轴线上轴向速度衰减规律：轴线上轴向速度衰减规律： 切向速度衰减规律：切向速度衰减规律： 切向速度最大值的衰减与旋流切向速度最大值的衰减与旋流 强度强度s s无关，其衰减常数等于无关，其衰减常数等于 (a/d)(a/d)2 2 旋转射流旋转射流-强旋流射流流场结构强旋流射流流场结构 旋转射流旋转